光学谐振腔的衍射理论

2.数值例:
(1) CO2激光器 : λ=10.6μm λ=0.5145μm
△vF≈108s-1
L=1m
△vq=1.5×108s-1
激光器输出单模 L=1m
(2)氩离子激光器:
△vF≈6×108s-1
△vq=1.5×108s-1
激光器多模输出
形成激光振荡的条件： 1. 满足谐振条件 q q 2L 2. 满足阈值条件
图3-3 横模光斑示意图
(2).(横模) 标记:
TEM mn m, n —— 横模序数
(3)本征值 mn 和单程衍射损耗、单程相移 本征值 mn 的模反映了自再现模在腔内单程渡越时所引起的 功率损耗。
(4)本征值 mn 和单程衍射损耗、单程相移 损耗包括衍射损耗和几何损耗，但主要是衍射损耗，称为 单程衍射损耗，用 表示。定义为 2 2 uq uq1 2 2 mn 1 mn uq uq1 uq 本征值幅角与自再现模腔内单程渡越后所引起的总相移有关。
vF 1500106 m 10 8 vq 1.5 10
2 2q q 1,2,3,
(2).腔内产生驻波的条件 *(光学腔长等于半波长的整数倍)
L L q
'
0 q
2
vq
c
0 q
——谐振频率
其它波长（频率）都被相消干涉所淘汰，只有 0q（ v0 q ）才能产生 振荡，可通过改变L来选择 0q （ v0 q）故称为选频。 从能量重新分布的角度来考虑，v0 q 的能量被加强了，其他频率的 被减弱了。
c
G a总
3. 落在工作物质原子荧光线宽范围内的频率成分
六.
工作物质饱和效应的影响
1.均匀增宽工作物质
(a) 腔中的频率梳 (b) 均匀展宽谱线v0附近 达到振荡阈值 (c) 随着振荡加强,发生增
益饱和现象,整个增益
曲线下降 (d) 单纵模形式运转
2.非均匀增宽介质 (a)腔中的频率梳 (b)非均匀展宽谱线 (c)满足 q q 2L 及阈值条件的纵模 在增益曲线上“烧孔”
ν mnq
qc 2L
(3-16)
C q阶纵模频率可以表达为： q q 2L
C 基纵模的频率可以表达为： 1 2L 谐振腔内q阶纵模的频率为基纵模频率的整数倍(q倍）
三. 纵模频率间隔
(1) 腔内两个相邻纵模频率之差称为纵模的频率间隔 c qc c ν mnq mn ν q νq 1 ν q 2L 2L 2L （a）频率梳——纵模等距排列 *(在频率空间)
第3章
激光器的输出特性
在开腔中存在怎样的电磁场本征态（即：不 随时间变化的稳态场分布）?如何求场分布?
稳态场分布的形成:可看成光在两镜面间往 返传播的结果!
方 法
一个镜面上的场
另一个镜面上的场
求解衍射积分方程!
3.1.1 惠更斯-基尔霍夫衍射公式
一.惠更斯 - 菲涅尔提出子波及子波干涉的概念
1) 波传到的任意点都是子波的波源 2) 各子波在空间各点进行相干叠加 概括为： 波面上各点均是相干子波源
假设 uq ( x' , y' ) 为经过q次渡越后在某一镜面上所形成的场分布， uq1( x, y) 表示光波经过q+1次渡越后，到达另一镜面所形成的光 场分布，则uq 1与 uq 之间应满足如下的迭代关系： ik
ik uq1 ( x, y) 4
u ( x', y' )
q M'
ik ik ( x , y , x ', y ') i ik ( x , y , x ', y ') 其中 K ( x, y, x' , y ' ) e e 2L L
(3-6) (3-7)
称为积分方程的核。 umn 和 mn 的下标表示该方程存在一系列的不连续的本征函 数解与本征值解，这说明在某一给定开腔中，可以存在许多 不同的自再现模。
uq1 uq arguq1 arg arguq
自再现模在对称开腔中单程渡越所产生的总相移定义为 arguq1 arguq arg 自再现模在对称开腔中的单程总相移一般并不等于由腔长L 所决定的几何相移，它们的关系为 附加相移 kL mn kL arg mn arg
面内的场的分布，横模 ） 模的电磁场理论（横截 (纵模） 模的简谐频率 模的基本特征 的相对功率损耗 模在腔内往返一次经受 每一个模的激光束的发 散角
2、稳态场的形成——模的“自再现”
镜1上的场分布，到达镜2时，由于衍射，要经历一次 能量的损耗和场分布的变化，中间能量损失小，镜边缘损 失大，每单程渡越一次，都会发生类似的能量损耗和场分 布变化，多次往返后，从而逐渐形成中间强、边缘弱的基 本不受衍射影响的稳态场分布，该稳态场分布一个往返后 可“自再现”出发时的场分布，唯一变化是镜面上各点的 场振幅按同样的比例衰减，各点相位发生同样大小的滞后。
图3-1 惠更斯-菲涅耳原理
ik u ( P) 4


u' ( P)eik

(1 cos )ds'
——原点 P '处的法线 n 与 P' P 的夹角 2 k——光波矢，k 为光波波长 ds’——原点 P '处的面元

功能：如果知道了光波场在其所达到的任意空间曲面上的 振幅和相位分布，就可以求出该光波场在空间其他任意位 置处的振幅和相位分布。
横向场振幅 分布和相位 分布都均匀 的平面波入 射，经过多 次孔阑的衍 射影响后， 二者都变得 不再均匀， 成为相对场 振幅和相对 相位分布都 不受衍射影 响的稳态场 分布。
(1)自再现模：往返一次能再现自身的稳态场分布。
（在腔内往返一次后能够“再现”出发时的场分布）
(2)往返损耗：自再现模往返一次的损耗。 (3)往返相移：自再现模往返一次的相位变化，等于2π的 整数倍。
u
M'
q
( x' , y ' )
e ik

(1 cos )ds' (3-4)
去掉q，得自再现模积分方程
ik u( x, y) 4
因为
u( x' , y' )
M'
e ik

(1 cos )ds'
(3-5)
L, R a 所以作两点近似处理：
a——反射镜的线度
惠－菲原理提供了用干涉解释衍射的基础
菲涅耳发展了惠更斯原理 从而深入认识了衍射现象 它是研究光衍射现象的基础，也是开腔模式问题的理论基础
二. 惠更斯－菲涅耳原理 设波阵面上任一源点 P ' 的光场复振幅为 u' ( P' ) ，则空间任一 观察点P 的光场复振幅 u (P)由下列积分式计算：
——原点 P '与观察点 P之间的距离
（3-6）的解包括两个方面: ①本征函数 u ( x, y) 是复函数,其模代表镜面上光场振幅 分布,幅角代表镜面上光场的相位分布; ②本征值σ也是个复数,其模反映了自再现模在腔内单程 渡越时所引起的功率损耗.幅角代表单程渡越后模的相位 滞后。
六. 积分方程解的物理意义 (1)本征函数umn 和激光横模 本征函数 umn 的模代表对称开腔任一镜面上的光场振幅分 布，幅角则代表镜面上光场的相位分布。它表示的是在激光 谐振腔中存在的稳定的横向场分布，就是自再现模，通常叫 做“横模”，m、n称为横模序数。图3-3为各种横模光斑。
3.1.2 光学谐振腔的自再现模积分方程
一、开腔模的一般物理概念 1、理想开腔模型 两块反射镜面放在无限大的均匀的各向同性介质中。
可忽略腔侧壁的不连续性，决定衍射效应的孔径由镜的边缘决定！
2、决定腔模形成的损耗：主要是腔镜边缘的衍射损耗， 其他的损耗只使横截面上各点的场按照相同比例衰减！ 二、自再现模概念 1.模: 光腔中可能存在的电磁场空间分布状态
三、自再现物理过程的形象化描述和定性解释——孔阑传输
五. 自再现模积分方程
图3-2 镜面上场分布的计算示意图
图(3-2)所示为一个圆形镜的平行 ' 平面腔镜面 M 和 M 上分别建立了坐标 轴, 两两相互平行的坐标 x y 和 x ' y '。利用上式由镜面 M ' 上的光 场分布可以计算出镜 上的场分布函 数，即任意一个观察点的光场强度。
9
0பைடு நூலகம்

而为什么He—Ne激光器输出激光的
Δ

会小到10 - 15 呢？
一.谐振条件和驻波条件 在腔内要形成稳定的振荡，要求光波要因干涉而得到加强。
相长干涉条件 （波从某一点出发，经腔内往返一周再回到原来 位置时，应与初始出发波同相） (1) 光波在腔内往返一周的总相移应等于2的整数倍，即只有某些特定 频率的光才能满足谐振条件
e

(1 cos )ds'
(3-2)
考虑对称开腔的情况，按照自再现模的概念，除了一个表 u 示振幅衰减和相位移动的常数因子以外，q 1 应能够将uq再现 出来，两者之间应有关系： σ——与坐标(x,y)及(x’,y’)
uq1 uq
(3-3)
无关的复常数
综合上两式可得：
ik u q ( x, y) 4
c
(d) 频率振荡
例:有一个谐振腔，腔长L=1m，求在1500MHｚ 的范围内所包含的纵模个数。
解：谐振腔相邻两个本征纵模之间的频率间隔为
C vq 2L
设折射率μ=1，则
C 3 108 vq 1.5 108 Hz 2L 2 1
在
vq
范围内所包含的纵模个数：